激光扫描与雕刻集成系统的轮廓提取算法研究

摘要

三维激光扫描仪基于光学三角测量原理，采用双CCD摄像机采集激光线在物体表面上的扫描光带，送入计算机进行处理，得到物体表面准确的三维坐标，实现物体表面形状的数字化。将激光扫描测头安装在雕刻机上可以实现扫描测量与雕铣加工的集成系统，激光扫描与雕刻集成可以方便快捷地实现产品原型数据采集到数控大规模生产，大幅缩短产品设计周期，降低成本，提高生产效率，保证产品质量。目前生产实践中越来越多的企业对已有的数控机床进行技术升级，通过在已有机台上安装激光扫描测头，原有的设备不仅具有加工功能，而且可以快速采集产品原型的表面数据，使企业产品的数字化设计与制造更加紧密地结合在一起，产品由手工原型到定型的周期很短，满足了企业的多样化、个性化生产需求，增强了企业在经济危机中的市场竞争力。
　　 在三维扫描仪对物体扫描过程中，由于测量时各种环境因素、电信号干扰和被测物体表面特征，如粗糙度、材质纹理、表面缺陷等的影响，导致扫描数据中存在噪声，使用磨光算法对所有点云进行相同的磨光处理，会丢失掉物体边缘轮廓特征。必须对测量数据进行光顺去噪处理，以利于提高生产效率，保证产品的雕刻质量。
　　 针对现有磨光算法的不足，本文主要研究的是激光扫描与雕刻集成系统的轮廓提取算法，主要工作如下：
　　 1.分析激光扫描数据中存在的噪声及其对雕刻效率和质量的影响，指出现有各向同性光顺算法对物体轮廓细节的影响，提出本文“先提取边缘轮廓信息，后磨光”的设计思路。
　　 2.按行列交替的方式，基于几何参数识别扫描数据的轮廓信息，主要依据斜率、角度、距离等参数分析识别轮廓点，然后将扫描数据转换为雕刻灰度图，应用已有图像边缘提取算子提取扫描数据中的边缘信息，并做对比分析，采用改进的拉普拉斯算子提取灰度图轮廓，最后综合图形和图像两方面提取的轮廓信息，对非轮廓点进行光顺处理，较好地保护物体表面细节的轮廓，减少了磨光算法的盲目性，解决了光顺过程中细节丢失的问题。
　　 3.设计并实现了三维激光扫描与雕刻集成系统中的数据边缘轮廓提取算法，经过磨光的平面浮雕数据可以直接生成雕刻加工需要的灰度图。采用本文算法处理的扫描数据已在江苏、浙江、山东、山西、福建等地木雕、石雕、砖雕、玉雕的企业中得到实际应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1三维激光线扫描知识综述

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容与意义

1.4论文组织

2.雕刻灰度图边缘轮廓提取算法的设计

2.1扫描数据转换为雕刻灰度图

2.2边缘检测算子

2.2.1 Roberts算子

2.2.2 Prewitt算子

2.2.3 Sobel算子

2.2.4 Canny算子

2.2.5拉普拉斯算法

2.2.6高斯-拉普拉斯算子

2.2.7拉普拉斯算子的改进

2.3边缘检测实例

2.4本章小结

3.基于几何参数的轮廓点识别

3.1基于斜率的轮廓点识别

3.2基于角度的轮廓点识别

3.3基于距离的轮廓点识别

3.4本章小结

4.激光扫描与雕刻集成系统的实现

4.1激光扫描与雕刻集成系统

4.2数据处理模块中的轮廓提取算法实现

4.3本章小结

5.数据处理实例

6.总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参与的科研工作及发表的论文